JP2015202020A - 電力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱を抑制可能な構成で、高圧側コンデンサの放電を可能とする。
【解決手段】バッテリ３６と昇圧コンバータ４０と高圧側コンデンサ４６とシステムメインリレー４５とバイパス電力ライン４９とスイッチＳＷと衝突センサ５１とを備え、衝突センサ５１により車両の衝突が検出されたときには、システムメインリレー４５をオフとする（バッテリ３６と低圧側電力ライン４４とを遮断する）と共にスイッチＳＷをオンとする（バイパス電力ライン４９により高圧側電力ライン４２の正極母線と低圧側電力ライン４４の正極母線とを接続する）と共に昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３２（下アーム）をオン固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力装置に関し、詳しくは、バッテリと、バッテリが接続された低圧側電力ラインの電力を昇圧してモータが接続された高圧側電力ラインに供給可能な昇圧コンバータと、高圧側電力ラインに取り付けられた高圧側コンデンサと、低圧側電力ラインに設けられたリレーと、昇圧コンバータの上アームおよびリアクトルをバイパスして高圧側電力ラインにおける正極側のラインと低圧側電力ラインにおける正極側のラインとを接続するためのバイパス電力ラインと、バイパス電力ラインに設けられたスイッチと、搭載される車両の衝突を検出する衝突検出センサと、を備える電力装置に関する。

従来、この種の電力装置としては、蓄電装置と、２つのスイッチング素子（上アームおよび下アーム）と２つのダイオードとリアクトルとを有し蓄電装置側の電力線とモータ側の電力線との間で電圧変換を行なうためのコンバータと、モータ側の電力線に取り付けられた高圧側平滑コンデンサと、蓄電装置側の電力ラインに設けられたシステムリレーと、モータ側の電力線における正極線と蓄電装置側の電力線における正極線とを接続するためのバイパス用の電力線と、バイパス用の電力線に設けられたバイパスリレーとを備え、車両に搭載されるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、コンバータによる昇圧動作が不要なときにおいて、バイパスリレーをオンとすると共にコンバータを停止させる第１モードとバイパスリレーをオフとすると共にコンバータの上アームをオン固定する第２モードとのうち第１モードを選択してもモータ側の電力ラインのリップル電流が大きくならないときには、第１モードを選択し、第１モードを選択するとモータ側の電力ラインのリップル電流が大きくなるときには、第２モードを選択する。これにより、前者では、システム効率を高くすることができ、後者では、コンバータでの損失を抑制しつつリップル電流が大きくなるのを抑制することができる。

特開２０１３−１７３２４号公報

こうした電力装置では、車両の衝突時などの緊急時には、モータやインバータなどの予期しない駆動の抑止などの観点から、高圧側コンデンサの電荷を放電させる必要がある。高圧側コンデンサの電荷をモータ側の電力線に取り付けられた放電抵抗によって熱として消費させるものでは、放電抵抗が過熱する可能性がある。

本発明の電力装置は、発熱を抑制可能な構成で、高圧側コンデンサの放電を可能とすることを主目的とする。

本発明の電力装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電力装置は、
バッテリと、
前記バッテリが接続された低圧側電力ラインの電力を昇圧してモータが接続された高圧側電力ラインに供給可能なコンバータとして構成され、前記高圧側電力ライン間に直列配置された上アームおよび下アームからなる２つのトランジスタ，該２つのトランジスタのそれぞれに逆方向に並列接続された２つのダイオード，前記２つのトランジスタの中間点と前記低圧側電力ラインにおける正極側のラインとに接続されたリアクトルを有する昇圧コンバータと、
前記高圧側電力ラインに取り付けられた高圧側コンデンサと、
前記低圧側電力ラインに設けられたリレーと、
前記上アームおよび前記リアクトルをバイパスして前記高圧側電力ラインにおける正極側のラインと前記低圧側電力ラインにおける正極側のラインとを接続するためのバイパス電力ラインと、
前記バイパス電力ラインに設けられたスイッチと、
搭載される車両の衝突を検出する衝突検出センサと、
を備える電力装置であって、
前記衝突検出センサにより車両の衝突が検出されたときには、前記リレーをオフとし、前記スイッチをオンとすると共に前記下アームをオン固定する衝突時制御手段、
を備えることを特徴とする。

この本発明の電力装置では、衝突検出センサにより車両の衝突が検出されたときには、リレーをオフとして、バッテリと低圧側電力ラインとを遮断し、スイッチをオンとして、バイパス電力ラインにより高圧側電力ラインにおける正極側のラインと低圧側電力ラインにおける正極側のラインとを接続すると共に、昇圧コンバータの下アームをオン固定する。なお、上アームについては、高圧側電力ライン間の短絡を回避するために、オフ固定する。これにより、高圧側コンデンサ，高圧側電力ラインの正極ライン，バイパス電力ライン，低圧側電力ラインの正極ライン，リアクトル，昇圧コンバータの下アーム，高圧側電力ラインの負極母線の回路により、高圧側コンデンサのコンデンサのエネルギがリアクトルのエネルギに変換され、高圧側コンデンサの電圧が略値０に至った後は、リアクトル，昇圧コンバータの上アームに逆並列接続されたダイオード，バイパス電力ライン，低圧側電力ラインにおける正極側のラインの回路を電流が流れる（循環する）。この結果、高圧側コンデンサの電荷（エネルギ）を放電抵抗によって熱として消費させるものに比して、装置での発熱を抑制しつつ高圧側コンデンサの電荷を放電させて（リアクトルのエネルギに変換して）、高圧側電力ラインの電圧を略値０にすることができる。

本発明の一実施例としての電力装置を備える駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。 衝突センサ５１により車両の衝突が検出されて衝突時処理を行なったときの様子を示す説明図である。 衝突センサ５１により車両の衝突が検出されて衝突時処理を行なったときの様子を示す説明図である。 衝突センサ５１により車両の衝突が検出されて衝突時処理を行なったときの高圧側コンデンサ４６の電圧ＶＨとリアクトルＬの電流ＩＬとダイオードＤ３１の電流Ｉｄ１とトランジスタＴ３２の電流Ｉｔ２との時間変化の様子を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての電力装置を備える駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の駆動装置２０は、電気自動車やハイブリッド自動車，燃料電池自動車などに搭載され、図示するように、例えば同期発電電動機として構成された走行用のモータ３２と、モータ３２を駆動するためのインバータ３４と、例えばリチウムイオン二次電池として構成されたバッテリ３６と、インバータ３４が接続された電力ライン（以下、高圧側電力ラインという）４２とバッテリ３６が接続された電力ライン（以下、低圧側電力ラインという）４４とに接続されて高圧側電力ライン４２の電圧ＶＨを調節すると共に高圧側電力ライン４２と低圧側電力ライン４４との間で電力のやりとりを行なう昇圧コンバータ４０と、高圧側電力ライン４２に取り付けられてこの電力ラインの電圧を平滑する高圧側コンデンサ４６と、低圧側電力ライン４４に設けられたシステムメインリレー４５と、低圧側電力ライン４４におけるシステムメインリレー４５より昇圧コンバータ４０側に取り付けられてこの電力ラインの電圧を平滑する低圧側コンデンサ４８と、昇圧コンバータ４０（後述の上アームおよびリアクトルＬ）をバイパスして高圧側電力ライン４２の正極母線と低圧側電力ライン４４の正極母線とを接続するためのバイパス電力ライン４９と、バイパス電力ライン４９に設けられたスイッチＳＷと、装置全体をコントロールする電子制御ユニット５０と、を備える。なお、実施例の電力装置としては、バッテリ３６と昇圧コンバータ４０と高圧側コンデンサ４６とシステムメインリレー４５とバイパス電力ライン４９とスイッチＳＷと後述の衝突センサ５１と電子制御ユニット５０とが該当する。

昇圧コンバータ４０は、２つのスイッチング素子としてのトランジスタＴ３１，Ｔ３２とトランジスタＴ３１，Ｔ３２に逆方向に並列接続された２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２とリアクトルＬとからなるコンバータとして構成されている。２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２は、高圧側電力ライン４２の正極母線と高圧側電力ライン４２および低圧側電力ライン４４の負極母線との間で直列配置（直列接続）されている。また、リアクトルＬは、トランジスタＴ３１，Ｔ３２の中間点（接続点）と低圧側電力ライン４４の正極母線とに接続されている。したがって、トランジスタＴ３１，Ｔ３２をオンオフ制御することにより、低圧側電力ライン４４の電力を昇圧して高圧側電力ライン４２に供給したり、高圧側電力ライン４２の電力を降圧して低圧側電力ライン４４に供給したりすることができる。以下、昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２をそれぞれ「上アーム」，「下アーム」という。

電子制御ユニット５０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭやデータを一時的に記憶するＲＡＭ，入出力ポートを備える。電子制御ユニット５０には、モータ３２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ３２ａからのモータ３２の回転子の回転位置θｍ，モータ３２とインバータ３４との接続ライン（電力ライン）に取り付けられた電流センサからの相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ，バッテリ３６の端子間に取り付けられた電圧センサからの端子間電圧Ｖｂ，バッテリ３６の出力端子に取り付けられた電流センサからの充放電電流Ｉｂ，バッテリ３６に取り付けられた温度センサからの電池温度Ｔｂ，高圧側コンデンサ４６の端子間に取り付けられた電圧センサ４６ａからの高圧側コンデンサ４６の電圧（高圧側電力ライン４２の電圧）ＶＨ，低圧側コンデンサ４８の端子間に取り付けられた電圧センサ４８ａからの低圧側コンデンサ４８の電圧（低圧側電力ライン４４の電圧）ＶＬ，車両の衝突を検出する衝突センサ５１からの信号，その他、車両の駆動制御に必要な信号、例えば、イグニッションスイッチ（スタートスイッチ）からのイグニッション信号，シフトレバーの操作位置を検出するシフトポジションセンサからのシフトポジション，アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサからのアクセル開度，ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサからのブレーキペダルポジション，車速センサからの車速などが入力ポートを介して入力されている。なお、衝突センサ５１は、車両の加速度が衝突判定用の閾値を超えたときなどに車両の衝突を判定する。電子制御ユニット５０からは、インバータ３４のスイッチング素子（トランジスタ）へのスイッチング制御信号や昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２へのスイッチング制御信号，システムメインリレー４５へのオンオフ信号，スイッチＳＷへのオンオフ信号などが出力ポートを介して出力されている。なお、電子制御ユニット５０は、回転位置検出センサ３２ａにより検出されたモータ３２の回転子の回転位置θｍに基づいてモータ３２の回転子の電気角θｅや回転数Ｎｍを演算したり、電流センサにより検出されたバッテリ３６の充放電電流Ｉｂに基づいてそのときのバッテリ３６から放電可能な電力量の全容量に対する割合である蓄電割合ＳＯＣを演算したり、演算した蓄電割合ＳＯＣと温度センサからの電池温度Ｔｂとに基づいてバッテリ３６を充放電してもよい最大許容電力である入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを演算したりしている。

こうして構成された実施例の駆動装置２０では、電子制御ユニット５０は、バッテリ３６の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの範囲内でモータ３２から出力すべきトルクとしてのトルク指令Ｔｍ＊を設定すると共に設定したトルク指令Ｔｍ＊でモータ３２が駆動されるようインバータ３４のスイッチング素子（トランジスタ）をスイッチング制御すると共に、高圧側電力ライン４２の電圧ＶＨがモータ３２のトルク指令Ｔｍ＊と回転数Ｎｍとに応じた目標電圧ＶＨｔａｇとなるよう昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２をスイッチング制御する。

次に、こうして構成された実施例の駆動装置２０の動作、特に、衝突センサ５１により車両の衝突が検出されたときの動作について説明する。衝突センサ５１により車両の衝突が検出されると、電子制御ユニット５０は、システムメインリレー４５をオフとすると共にスイッチＳＷをオンとすると共に昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３２（下アーム）をオンとする衝突時処理を行なう。なお、このとき、昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１（上アーム）については、高圧側電力ライン４２間の短絡を回避するために、オフ固定するものとした。衝突時処理を行なうと、図２の太線矢印に示すように、高圧側コンデンサ４６，高圧側電力ライン４２の正極母線，バイパス電力ライン４９，リアクトルＬ，昇圧コンバータ４０の下アーム，高圧側電力ライン４２の負極母線の回路（第１閉回路）に電流が流れて高圧側コンデンサ４６の電荷（エネルギ）がリアクトルＬのエネルギに変換され、高圧側コンデンサ４６の電圧（高圧側電力ライン４２の電圧）ＶＨが低下する。そして、高圧側コンデンサ４６の電圧ＶＨが略値０に至ると、図３の太線矢印に示すように、リアクトルＬ，ダイオードＤ３１，バイパス電力ライン４９，低圧側電力ライン４４の正極母線の回路（第２閉回路）を電流が流れる（循環する）ようになる。このとき、第２閉回路には大きな電流が流れるが、基本的には（モータ３２が回転停止していれば）、その第２閉回路よりインバータ３４側の部分には電気エネルギが存在しない。また、実施例では、車両の衝突が検出されたときにおいて、衝突時処理におけるシステムメインリレー４５のオフ後でスイッチＳＷのオンやトランジスタＴ３２のオン固定の前に、低圧側コンデンサ４８の電荷については、低圧側電力ライン４４に接続された図示しない補機（ＤＣ／ＤＣコンバータや空調装置のコンプレッサを駆動するためのインバータなど）によって消費させるものとした。これらより、第２閉回路を電流が流れるようになった後は、システムメインリレー４５より低圧側電力ライン４４側のいずれの位置（閉回路を含む）でも電圧は略値０となる。このため、ダイオードＤ３１の定格値（定格電流値）を大きくする必要は生じるが、以下の効果を奏する。例えば、高圧側コンデンサ４６の電荷（エネルギ）を放電抵抗によって熱として消費させるものに比して高圧側コンデンサ４６の電荷を放電させる際の装置での発熱を抑制することができ、放電抵抗の過熱を抑制するために放電抵抗を冷却する冷却回路を設けたり放電抵抗と周辺部品とのクリアランスを大きくしたりするものに比して装置の大型化や複雑化を抑制することができる。また、モータ３２にｄ軸電流を供給して消費させるものに比して昇圧コンバータ４０やバイパス電力ライン４９付近で高圧側コンデンサ４６の電荷を放電させる（モータ３２やインバータ３４などが過熱するのを抑制する）ことができる。さらに、専用の放電回路を設けるものに比して、高圧側コンデンサ４６の電荷を放電させる際の装置での発熱や装置の大型化を抑制することができる。また、実施例の駆動装置２０では、車両の衝突時に故障が生じていなければ、スイッチＳＷをオフとすると共にシステムメインリレー４５をオンとして、退避走行を行なうことができる。

図４は、衝突センサ５１により車両の衝突が検出されて衝突時処理を行なったときの高圧側コンデンサ４６の電圧ＶＨとリアクトルＬの電流ＩＬとダイオードＤ３１の電流Ｉｄ１とトランジスタＴ３２の電流Ｉｔ２との時間変化の様子を示す説明図である。なお、リアクトルＬの電流ＩＬについては図１中右向きに流れる電流を正とした。時刻ｔ１に衝突時処理を行なうと、高圧側コンデンサ４６の電圧ＶＨが低下すると共に、リアクトルＬの電流ＩＬやトランジスタＴ３２の電流Ｉｔ２が増加する。そして、高圧側コンデンサ４６の電圧ＶＨが値０に近づくと、ダイオードＤ３１の電流Ｉｄ１が増加すると共にトランジスタＴ３２の電流Ｉｔ２が減少し、時刻ｔ２に高圧側コンデンサ４６の電圧ＶＨが値０に至ると、その後は、上述の第２閉回路を電流が流れることによってリアクトルＬの電流ＩＬとダイオードＤ３１の電流Ｉｄ１とが正で一定値となると共にトランジスタＴ３２の電流Ｉｔ２は値０で一定となる。車両の衝突が検出されたときにこのように衝突時処理を行なうことにより、装置での発熱を抑制しつつ高圧側コンデンサ４６の電荷（エネルギ）を放電させて（リアクトルＬのエネルギに変換して）高圧側電力ライン４２の電圧ＶＨを略値０にすることができる。

以上説明した実施例の電力装置では、バッテリ３６と昇圧コンバータ４０と高圧側コンデンサ４６とシステムメインリレー４５とバイパス電力ライン４９とスイッチＳＷと衝突センサ５１とを備え、衝突センサ５１により車両の衝突が検出されたときには、システムメインリレー４５をオフとする（バッテリ３６と低圧側電力ライン４４とを遮断する）と共にスイッチＳＷをオンとする（バイパス電力ライン４９により高圧側電力ライン４２の正極母線と低圧側電力ライン４４の正極母線とを接続する）と共に昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３２（下アーム）をオン固定する。これにより、衝突時に、装置での発熱を抑制しつつ高圧側コンデンサ４６の電荷（エネルギ）を放電させて（リアクトルＬのエネルギに変換して）高圧側電力ライン４２の電圧ＶＨを略値０にすることができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、昇圧コンバータ４０が「昇圧コンバータ」に相当し、低圧側コンデンサ４８が「低圧側コンデンサ」に相当し、高圧側コンデンサ４６が「高圧側コンデンサ」に相当し、バイパス電力ライン４９が「バイパス電力ライン」に相当し、スイッチＳＷが「スイッチ」に相当し、衝突センサ５１が「衝突センサ」に相当し、電子制御ユニット５０が「衝突時制御手段」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電力装置の製造産業などに利用可能である。

２０ 駆動装置、３２ モータ、３４ インバータ、３６ バッテリ、４０ 昇圧コンバータ、４２ 高圧側電力ライン、４４ 低圧側電力ライン、４６ 高圧側コンデンサ、４６ａ，４８ａ 電圧センサ、４８ 低圧側コンデンサ、４９ バイパス電力ライン、５０ 電子制御ユニット、５１ 衝突センサ、Ｄ３１，Ｄ３２ ダイオード、Ｌ リアクトル、ＳＷ スイッチ、Ｔ３１，Ｔ３２ トランジスタ。

Claims (1)

1. バッテリと、
   前記バッテリが接続された低圧側電力ラインの電力を昇圧してモータが接続された高圧側電力ラインに供給可能なコンバータとして構成され、前記高圧側電力ライン間に直列配置された上アームおよび下アームからなる２つのトランジスタ，該２つのトランジスタのそれぞれに逆方向に並列接続された２つのダイオード，前記２つのトランジスタの中間点と前記低圧側電力ラインにおける正極側のラインとに接続されたリアクトルを有する昇圧コンバータと、
   前記高圧側電力ラインに取り付けられた高圧側コンデンサと、
   前記低圧側電力ラインに設けられたリレーと、
   前記上アームおよび前記リアクトルをバイパスして前記高圧側電力ラインにおける正極側のラインと前記低圧側電力ラインにおける正極側のラインとを接続するためのバイパス電力ラインと、
   前記バイパス電力ラインに設けられたスイッチと、
   搭載される車両の衝突を検出する衝突検出センサと、
   を備える電力装置であって、
   前記衝突検出センサにより車両の衝突が検出されたときには、前記リレーをオフとし、前記スイッチをオンとすると共に前記下アームをオン固定する衝突時制御手段、
   を備えることを特徴とする電力装置。

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